磁路和变压器

磁路和变压器第1页，课件共53页，创作于2023年2月1.磁感应强度

B—矢量2.磁通

F

—标量单位：Wb4.磁场强度

H—矢量定义：H=B/

3.磁导率

真空磁导率

0=4

10–

7H/m(亨/米)均匀磁场—磁场内各点的B大小相等，方向相同。对于均匀磁场

F

=B

·S相对磁导率

r=

/

0对于铁磁材料

r=102105单位：A/m(安培/米)单位：T（特斯拉），Gs（高斯），1T=104Gs3.1.1磁场的基本物理量3.1磁路及其分析方法用于确定磁场和电流之间的关系第2页，课件共53页，创作于2023年2月1.高导磁性

在外磁场的作用下，磁性物质被强烈磁化而呈现出很强的磁性。Hm–HmBr–HCBH3.1.2

磁性物质的基本性能2.磁滞性

B的变化落后于H。

剩磁矫顽力第3页，课件共53页，创作于2023年2月3.磁饱和性

H增加，B增加很小的现象。Hm–HmBrHCBHB-H

-HbcBH

aa、b段，B值随H的增加而增大3.1.2

磁性物质的基本性能b、c段B值随H的增加的趋势变缓、过c点出现饱和第4页，课件共53页，创作于2023年2月1、右手螺旋定则

（安培定则）(1)通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；

(2)通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。复习：关于电磁场的几个定则左手定则（安培定则）：已知电流方向和磁感线方向，判断通电导体在磁场中受力方向，伸开左手,让磁感线穿入手心(手心对准N极，手背对准S极)，四指指向电流方向，那么大拇指的方向就是导体受力方向。（电动机）

2、左手定则：

第5页，课件共53页，创作于2023年2月3、右手定则确定导体切割磁感线运动时在导体中产生的感应电流方向的定则。（发电机）

左手定则说的是磁场对电流作用力的方向，或者是磁场对运动电荷的作用力。

右手定则的内容是：伸开右手，使大拇指跟其余四个手指垂直并且都跟手掌在一个平面内，把右手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手心，大拇指指向导体运动方向，则其余四指指向感应电流的方向。

右手定则所应用的现象，就是导线在磁场里面，切割磁感线运动的时候，产生的感应电流的方向

；4、怎么区分左手定则和右手定则？第6页，课件共53页，创作于2023年2月

磁路是研究局限于一定范围内的磁场问题。磁路与电路一样，也是电工学课程所研究的基本对象。I

主磁通

漏磁通铁心线圈磁路：磁通相对集中通过的路径。3.1.3磁路的分析方法第7页，课件共53页，创作于2023年2月1.磁通连续性原理通过任意闭合面的磁通量总为0。即穿入闭合面的磁感线，必同时穿出该闭合面。2.安培环路定律磁场强度沿任意闭合路径的线积分，等于穿过该闭合路径所包围的电流的代数和。I3I1I23.1.3磁路的分析方法第8页，课件共53页，创作于2023年2月得

Hl=NI磁压降：HllNui根据磁通势：F=NI(单位：安)

=BS=

HS磁路磁阻：Rm磁路欧姆定律：–+返回3.磁路的欧姆定律由于不是常数，它随励磁电流而变，所以不能用这个公式来计算，只能用于定性分析！参见P107磁路与电路对照表第9页，课件共53页，创作于2023年2月主磁通

漏磁通

Nui设：

=

msint1.感应电动势与磁通的关系ee

e=-Nmcost=Emsin(t

-90)感应电动势的有效值：––+–++3.2交流铁心线圈电路*第10页，课件共53页，创作于2023年2月2.外加电压与磁通的关系u→Fm=iN→uR=iR

(主磁通)

→

(漏磁通)→由KVL：u=iR–e

–e

所以u

–e因为

R和e

很小，U的有效值U

E=

4.44fNmU=

4.44fNBmS

Nuiee

––+–++第11页，课件共53页，创作于2023年2月

Ni(4)铜损线圈电阻产生的损耗(1)

磁滞损耗铁心反复磁化时所消耗的功率。(2)涡流损耗

在铁心中产生的感应电流而引起的损耗。

(3)铁心损耗=磁滞损耗+涡流损耗PCu

=I2R3.

功率损耗e

–+u–+e–+返回在交变磁通的作用下，铁损差不多与铁心内磁感应强度的最大值Bm的平方成正比，所以一般Bm不宜选太大；第12页，课件共53页，创作于2023年2月(a)磁滞损耗Ph：(b)涡流损耗Pe：※铜损耗使线圈发热，铁损耗使铁心发热。※减小铁损耗的方法：①使用软磁材料减小Ph；②增大铁心的电阻率，减小涡流及其损耗

；③用很薄的硅钢片叠成铁心，减小涡流及其损耗

。上一节下一节上一页下一页ΦΦ图5.2.2涡流损耗(a)(b)返回※减小铁损耗的方法：使用磁回线狭小的磁性材料，例如硅钢材料；第13页，课件共53页，创作于2023年2月按用途分:电力变压器，特种用途变压器。按相数分:

单相、三相和多相变压器。按绕组数分:

双绕组、多绕组及自耦变压器。3.3.1

变压器的工作原理1.变压器的分类3.3变压器变压器是一种利用电磁感应作用来改变交流电能的电压和电流等级的电气设备。第14页，课件共53页，创作于2023年2月110kV、220kV330kV、500kV电能负荷升压变压器远距离输电降压变压器10kV10kV6kV380V220V上一节下一节上一页下一页返回▲输电距离、输电功率与输电电压的关系:输电电压输电功率输电距离110kV5×104kW50~150km220kV(20~30)×104kW200~400km500kV100×104kW≥500km在电子线路和自动控制系统中，变压器起着信号传递、阻抗变换以及信号隔离等作用。变压器在电力系统中的应用：第15页，课件共53页，创作于2023年2月变压器铁心:硅钢片叠压而成。变压器绕组:高强度漆包线绕制而成。其他部件:油箱、冷却装置、保护装置等。铁心线圈壳式变压器心式变压器铁心线圈2.变压器的结构第16页，课件共53页，创作于2023年2月上一节下一节上一页下一页返回举例：第17页，课件共53页，创作于2023年2月

1N1i1一次绕组二次绕组AXax变压器符号Axu1–+e1–+e1

–+N2e2u20axSZLi2–++–3.变压器的工作原理第18页，课件共53页，创作于2023年2月S|ZL

|

1N1N2

i1e2u2e1u1e

1

2i2u1

→i1(

i1N1)

1→e1

→e1i2(i2N2

)→

2→e23.变压器的工作原理e2–++––++–+–e

2+–第19页，课件共53页，创作于2023年2月

1N1N2AXax

••U1

–

E1

••E2•–

E1•U1

••U20—–

=—–U1U20—–=–—=KN1N2U20=

E2

•

•I0•U1U20E1E2

4.44fN1

m

4.44fN2

mN1N2—–=–—=–—–—–—–=–—E2

•U20•E1

•U1

•E

1

•结论—变比U1=–E1–E

1+R1I0••••E2

=

4.44fN2

m变压器空载：E1

=

4.44fN1

m–+––+++–有效值之比(1)电压变换第20页，课件共53页，创作于2023年2月aSZLN1I1=N2

I2N1N2AXx

••I1E2•U2•E1•U1•E

1••I2结论产生主磁通

的磁通势有效值关系式I0=

I1N(2.

5)

变压器接负载：+–+–E

2•+–+–+–+–+空载时一次绕组的磁通势(2)电流变换第21页，课件共53页，创作于2023年2月'ZL=—U1I1••ZL=—–U2I2••=–——–KU2–I2/K••=

K2

–—

U2I2

••=K2ZL'ZL=K2ZL结论•I2KZL•U2•U1•I1Z0'ZLE•可利用变压器进行阻抗匹配！'|ZL|=K2|ZL|+––++–(3)阻抗变换第22页，课件共53页，创作于2023年2月一只电阻为8Ω的扬声器（喇叭），需要把电阻提高到800Ω才可以接入半导体收音机的输出端。问：应该利用电压比为多大的变压器才能实现这一阻抗匹配。［解］∵=10∴R=k2RL

RLRk==8008上一节下一节上一页下一页返回［例1］第23页，课件共53页，创作于2023年2月如图所示，交流信号源E=120V，内阻R0=800，负载RL=8，(1)当RL折算到原边的等效电阻R

L=R0时，求变压器的匝数和信号源的输出功率；(2)当将负载直接与信号源联接时，信号源输出多大功率？[解](1)

R'L

=K2RL=R0•I2KRL•U2•U1•I1R0'RLE•+–+–+–(2)

[例2]

第24页，课件共53页，创作于2023年2月(1)

额定容量

SNSN

=U1NI1N=U2NI2N三相变压器单相变压器SN=U1NI1N=U2NI2N(2)

额定电压U1N和

U2N(3)

额定电流I1N和

I2N

(4)额定频率

fNU2N—

一次侧加

U1N时，二次侧绕组的开路电压。U2N应比满载运行时的输出电压

U2高出5%10%。允许通过的最大电流。4.变压器的铭牌数据为何其单位是伏安或千伏安，而不是瓦或者千瓦？这是因为变压器的输出的有功功率与负载的功率因数有关。第25页，课件共53页，创作于2023年2月有一台额定容量50kV·A、额定电压3300/220V的变压器，高压绕组为6000匝，试求：(1)低压绕组匝数；(2)高压边低压边额定电流；(3)当一次侧保持额定电压不变，二次侧达到额定电流，输出功率9kW，功率因数为cos

=0.8时的副边端电压U2。[解](1)N2=N1U2NU1N=4006000×2203300=(3)

P=U2I2Ncos

I2N=K

I1N=600040015.1=227API2Ncos

U2=9×103227×0.8==215VSNU1N(2)I1N==15.1A=50×1033300

[例3]

第26页，课件共53页，创作于2023年2月cos

=0.8cos

=1OU2I2外特性U2=f(I2)电压变化率（也叫电压调整率）U20–U2U20

U=100%U20I2N•I2KRL•U2•U1•I1RiUS•+–+–+–3.3.2变压器的外特性是指当变压器的U1不变时，由于二次绕组负载增加（I2增大）引起的U2的变动；第27页，课件共53页，创作于2023年2月某单相变压器的额定电压为10000/230V，接在10000V的交流电源上向一电感性负载供电，电压调整率为0.03。求变压器的电压比及空载和满载时的二次电压。［解］电压比：U1NU2Nk==10000230=43.5空载电压：=230V满载电压:=223VU20=U2N

U2=U2N(1－ΔU％)PCu

=230×(1－0.03)

V上一节下一节上一页下一页返回［例4］第28页，课件共53页，创作于2023年2月上例中的变压器，当|ZL|=0.966Ω时，变压器正好满载。求该变压器的电流。［解］

U2|ZL|I2==2230.966=224A=5.15A

I2kI1=上一节下一节上一页下一页返回［例5］第29页，课件共53页，创作于2023年2月1.损耗

P=PCu+PFe铜损2.效率P2

P1

=

—×100%P2+PCu+PFeP2

=

————×100%

=(9099)%铁损

PFe与Bm有关3.3.3变压器的损耗与效率不变损耗可变损耗第30页，课件共53页，创作于2023年2月P1P2η=×100%变压器的效率:※电力变压器:当I2=(60%～80%)I2N时，

η=ηmax※小型电力变压器:η=80%～90%※大型电力变压器:η=98%～99%上一节下一节上一页下一页返回第31页，课件共53页，创作于2023年2月U1•N1N2ZL•U2I=(1–—–)I1N1

N2N2N1=(1–—–)

I21.自耦变压器•U1•N1N2•U2ZLI1•I2

•I3.3.4特殊变压器该变压器的二次绕组是一次绕组的一部分。在实验室使用该变压器时应注意：使用完毕后必须调到零位！第32页，课件共53页，创作于2023年2月2.电流互感器3.3.4

特殊变压器N1N2负载A~i1i2

用来扩大测量交流电流的量程，并保证人身与设备的安全。其典型应用就是钳型电流表，如图：注意：测量时二次绕组电路不允许开路！第33页，课件共53页，创作于2023年2月AXax••ii

1

2同名端1.同名端当两个端口同为流入电流时，产生的磁通的方向相同，两个绕组中的感应电动势极性也相同的端口。AXax••++––e1e23.3.5变压器绕组的极性第34页，课件共53页，创作于2023年2月X与a相连，两个

1的方向相同u=–e1–e1+R1i+R1i=–2e1+2R1iX与x相连，两个

1的方向相反u=–e1+e1+R1i+R1i=2R1i正确联接方法，u加在Ax端，错误联接方法，u加在Aa端，将产生很大电流，不允许！2.绕组的连接AXax••ii

1

1e1e1++––AXax••ii

1

1e1e1++––返回第35页，课件共53页，创作于2023年2月

一台单相变压器，一次侧为两个绕组，额定电压均为110V，试问电源电压为220V时，如何连接？电源电压为110V时，如何连接？[解]电源电压为220V时，接线如右图所示；电源电压为110V时，接线如下图所示。AXax••AXax••uAXax••u[例6]第36页，课件共53页，创作于2023年2月

P1193.3.1——3.3.10

思考与练习第37页，课件共53页，创作于2023年2月衔铁铁心铁心线圈线圈衔铁结构：线圈、铁心、衔铁利用电磁力实现某一机械发生动作的电磁元件。3.4电磁铁第38页，课件共53页，创作于2023年2月1.直流电磁铁(1)电磁吸力通入直流，无铁损，铁心用整块的铸钢、软钢。在吸合后，线圈电流不变，但吸力变大！(2)吸合前后的电磁吸力变化情况吸力的大小与气隙的截面积S0、气隙中的磁感应强度B0的平方成正比。第39页，课件共53页，创作于2023年2月(1)平均电磁吸力铁心由硅钢片叠成；为了避免吸力变化过程中为零带来的衔铁颤动和噪声——加入分磁环（短路环）。2.交流电磁铁(2)吸合前后的电磁平均吸力不变，而励磁电流由大变小。电磁吸力是脉动的，见P121图3.4.3第40页，课件共53页，创作于2023年2月t

、ff

1铁心电磁吸力

由于

1与

2之间出现了相位差，合成磁通所产生的电磁吸力就不会为零。磁通为零，吸力也为零

2短路铜环(3)分磁环结构第41页，课件共53页，创作于2023年2月1）假如因机械故障，交流电磁铁的衔铁或机械可动部分被卡住，通电后衔铁吸合不上，会出现什么问题？[答]线圈中的电流会比较大，而使线圈发热，甚至烧毁。思考：2）把一台50Hz、380V的交流电磁铁接在50Hz、220V的交流电源上，会出现什么问题？怎样解决？[答]根据U4.44fNmU

m

F

吸力不足减少N第42页，课件共53页，创作于2023年2月M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧电磁铁应用一例第43页，课件共53页，创作于2023年2月M3~M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧返回第44页，课件共53页，创作于2023年2月

P1233.3.33.3.73.3.8

本章习题第45页，课件共53页，创作于2023年2月本章小结

1.了解物质的磁性能，理解磁路欧姆定律；2.了解铁心线圈电路中的电压与电流的关系及功率和损耗问题；3.了解变压器的基本结构，理解变压器的电压变换、电流变换和阻抗变换作用以及变压器的功率和损耗4.理解变压器的额定值；5.了解绕组同极性端(同名端)和异极性端(异名端)的含义。返回第46页，课件共53页，创作于2023年2月(1)额定电压一定的交流铁心线圈能否施加大小相同的直流电压？返回分析与思考题集上一题下一题【答】如果给交流铁心线圈施加了与交流电压大小相等的直流电压会把线圈烧毁。这是因为交流铁心线圈上施加的交流电压绝大部分被感应电动势所平衡（U≈E），漏阻抗上的电压很小，因而励磁电流很小。如果是施加同样大小的直流电压，由于线圈中没有感应电动势与之平衡，全部电压降落在线圈本身的电阻上，该电阻值是很小的，因此将会产生很大的直流励磁电流，使线圈烧毁。如果系统有过流保护装置，此时保护装置将动作跳闸。复习题1第47页，课件共53页，创作于2023年2月(2)在求变压器的电压比时，为什么一般都用空载时一、二次绕组电压之比来计算？=N1N2E1E2k=【答】因为变压器的电压比等于一、二次绕组感应电动势之比，也即匝数之比：空载时：U1≈E1，E2=U20=U2N，而负载时：U1≈E1，E2≈U2，显然用空载时一、二次绕组电压之比来计算电压比精确度较高。返回分析与思考题集上一题下一题复习题2第48页，课件共53页，创作于2023年2月【答】满载时变压器的二次侧电压U2不等于额定电压U2N。因为变压器的二次侧额定电压U2N是定义为空载电压（一次侧为额定电压时）U20的，即U2N=U20=E2。变压器满载（I2=I2N）时，(3)满载时变压器的电流等于额定电流，这是的二次侧电压是否也等于额定电压？U2=E2－

Z2I2，因而U2≠U2N。返回分析与思考题集上一题下一题复习题3第49页，课件共53页，创作于2023年2月(4)为了判断图所示变压器实物中一次侧两个线圈的极性，可以将这两个线圈的任意两端串联后，在二次侧加一个不超过其额定值的电压，如果测得一次侧两串联线圈的总电压为两个线圈电压之和，则说明现在是异极性端串联；如果测得的总电压为两个线圈电压之差，则说明是同极性端串联。试说明此方法的原理。+U1-+

U2(施加)-+U